EP2379783B1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von siliziumdünnstäben - Google Patents

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EP2379783B1
EP2379783B1 EP10706486.7A EP10706486A EP2379783B1 EP 2379783 B1 EP2379783 B1 EP 2379783B1 EP 10706486 A EP10706486 A EP 10706486A EP 2379783 B1 EP2379783 B1 EP 2379783B1
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EP
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induction coil
silicon
rod
silicon thin
rods
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EP10706486.7A
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Helge Riemann
Friedrich-Wilhelm Schulze
Jörg Fischer
Matthias Renner
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PV Crystalox Solar Silicon GmbH
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PV Crystalox Solar Silicon GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for producing silicon thin rods, as used in the conventional Siemens method for silicon deposition.
  • the thin rods are arranged vertically in a reactor and heated by passage of current to about 1100 ° C, so that deposited on them from a trichlorosilane-hydrogen mixture, the silicon pyrolytic.
  • This basic manufacturing process for polycrystalline silicon is almost identical for the electronics and solar industries.
  • silicon thin rods As a result of the rapidly increasing and increasing demand for polycrystalline silicon as the starting material of silicon for semiconductors and as the starting material of solar cells, the demand for silicon thin rods with a diameter of approximately 4 to 10 mm is correspondingly increasing.
  • the production of silicon thin rods is an unavoidable and sometimes limiting component of the production of silicon rods by the pyrolytic deposition of silicon from trichlorosilane (Siemens process) or analogous monosilane. Since the total length of the silicon thin rods corresponds to the length of the Si rods produced, correspondingly large amounts of these thin rods are needed with the steep increase in solar and semiconductor silicon production.
  • Silicon thin rods are made, for example, by the classical Pedestal method, by pulling the rod out of the inner hole of a single-turn induction coil, which simultaneously melts the top of a 30-50 mm diameter raw rod.
  • Pedestal method by pulling the rod out of the inner hole of a single-turn induction coil, which simultaneously melts the top of a 30-50 mm diameter raw rod.
  • a method and apparatus for producing silicon thin rods is described. It is pulled from a vertical supply rod, which is melted at its upper end by means of an induction coil, a held at its upper end silicon thin rod upwards.
  • stabilizing means are provided, which consist of spring rods, between which the thin silicon rod is guided.
  • the object of the invention is to provide a method and a device with which it is possible to produce simultaneously in a single operation from a stock rod with standard diameter of 120mm several silicon thin rods with the material purity of zoned Si crystals and the desired parameters.
  • the process is intended to reduce the production costs for thin-rod production by eliminating the production of special material, as well as labor and energy costs.
  • this object is achieved by a method having the features of claim 1, wherein the method is similar to the classic Pedestal method in which only one turn having a flat induction coil is used as the heating source, which simultaneously melts the upper end of a Rohstabes and at the same time Setting the crystallization front of the growing silicon thin rods is used, which are pulled up from the melt.
  • the disc-shaped induction coil used has a main slot, which is designed as a power supply, and in the middle of a central opening. In contrast to the known state of the art, no silicon thin rod is pulled upwards by the current-flowing central opening, it remains free.
  • the induction coil has further through-holes around the central flow opening, which serve as drawing openings for the silicon thin rods.
  • the diameter of the single-turn induction coil is greater than the diameter of the Si raw rod, which advantageously has a technically conventional relatively large diameter.
  • the additional additional drawing openings are preferably arranged concentrically or in pairs and in each case symmetrically with respect to the central opening. Their spacing is chosen so that the growing silicon thin rods do not influence each other thermally too strongly, so that the individual silicon thin rods grow as equally as possible.
  • means are provided above the induction coil, which prevent an active heat supply from the magnetic field of the induction coil to the crystallizing silicon thin rods in order to promote a uniform crystal growth.
  • a silicon seed rod attached to a support is in each case brought into contact with the melt by melting the tip of the perpendicular Si rod held at its lower end by each further pulling aperture in the induction coil.
  • the carriers are pulled up at a rate such that a thin silicon rod grows uniformly on each carrier.
  • the silicon raw bar is tracked upwards at such a rate that a sufficient amount of Si melt is ensured at any time for all growing thin rods, depending on the pulling speed of the silicon thin rods upwards and the number of silicon thin rods.
  • all carriers are synchronized, i. H. simultaneously and at the same speed, pulled upwards.
  • the silicon thin rods have a doping that allows a direct and exclusive heating in the Siemens reactor.
  • the Si melt has, by special measures, such a doping with boron and / or other doping elements that the pulled silicon thin rods have the desired doping.
  • the process is preferably carried out in a drawing chamber under a protective gas atmosphere.
  • the inventive device for carrying out the method has the features of claim 9.
  • the essential feature of the invention is that the single-turn induction coil used as a heating source has, in addition to the prior art known central opening adjoining the main slot, further through-holes used as pulling holes. No separate ring current circulates around these drawing openings, they thus largely represent inductively passive through-holes in the disk of the induction coil.
  • the drawing openings have a diameter such that the silicon thin rods to be produced can be pulled through them.
  • Additional drawing openings are preferably arranged in pairs and symmetrically or concentrically to the central opening and with a sufficient distance from the edge of the induction coil.
  • adjacent drawing openings each have similar distances, so that the through this pulled upwards thin silicon rods have virtually the same diameter and do not affect each other thermally too strong.
  • the Si raw rod used as a stock rod is arranged on a vertically displaceable spindle, which can also rotate.
  • Non-rotating carriers Arranged vertically above the induction coil are preferably non-rotating carriers which carry the silicon seed rods for growing the silicon thin rods.
  • Each carrier is lowered in the start phase of the process by a respective pulling opening so far that the silicon seed stick comes into contact with the melt at the upper end of the Si crude rod.
  • the carrier With the onset of crystal growth, the carrier is pulled upwards at such a rate that a silicon thin rod grows on the seed bar, which is pulled by the respective carrier through the respective passive pulling opening.
  • the carriers are connected to one another in such a way that they are moved upwards synchronously, simultaneously and with the same pulling rate, so that an almost identical crystal growth is ensured for each thin silicon rod.
  • the Si green rod is tracked up with its spindle at such a rate as to provide sufficient molten material at all times to allow the growing silicon thin rods to be pulled at the optimum pulling rate.
  • the cross section of the induction coil should be selected; which is always larger than that of the Si raw rod.
  • the induction coil according to the invention has four or more additional holes for drawing silicon thin rods.
  • a shielding plate is provided just above the induction coil, which is intended to suppress inductive heat supply via the magnetic field of the induction coil to the crystallizing silicon thin rods.
  • the shield plate has openings in the form of openings arranged congruently with the drawing openings in the induction coil Through holes on.
  • gas locks are provided for carrying out the carrier and the silicon thin rods through the upper wall of the pull chamber.
  • These gas locks usually consist of long tubes, which have a slightly larger internal cross section than the cross section of the growing silicon thin rods.
  • the advantages of the method according to the invention and of the device proposed for carrying out this method are that several silicon thin rods can be produced in a crucible-free manner simultaneously in one drawing process.
  • the productivity increases according to the number of simultaneously drawn silicon thin rods.
  • the energy balance in the production of thin silicon rods is significantly improved, since with comparable energy use several silicon thin rods can be produced simultaneously.
  • FIG. 1 is a plan view of an inventively designed induction coil 1 is shown.
  • the induction coil 1 consists of a flat square metal disc.
  • the edge length L I of the induction coil 1 in the example is 160 mm and its thickness is 10 mm.
  • the induction coil 1 has at its one diagonal on a main slot 2 which opens into a located at the center of the induction coil 1 central opening. 4 Side of the main slot 2 each of the power supply lines 3 are arranged for the RF power.
  • the design of the induction coil corresponds to the known prior art.
  • the induction coil 1 in addition to the central opening 4 on further through holes, which serve as drawing openings 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 .
  • four silicon thin rods 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 can be pulled separately or simultaneously through these four pulling openings 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 .
  • the drawing openings 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 are distributed over the surface of the induction coil 1 such that they have a sufficient lateral distance to the edge of the induction coil.
  • the drawing openings 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 are arranged concentrically around the central opening 4 on a circular ring which has a diameter D K , which has approximately half of the diameter D S of the Si raw bar 6 .
  • D K diameter
  • there are the drawing openings 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 are located above the melting lake 6.1 produced in the Si raw bar 6.
  • the drawing openings 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 are arranged on the circular ring at regular intervals from one another, so that the growing silicon thin rods 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 do not influence each other thermally too strong.
  • the diameter of the drawing openings 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 is about 8 mm larger than the diameter of the growing silicon thin rods 9.1, 9.2, 9.3, 9.4, which here have a diameter of 8 mm.
  • the area of the induction coil 1 which is 160 mm ⁇ 160 mm here, as many pulling openings can be introduced into the induction coil, as the aforementioned criteria allow.
  • the Si raw rod 6 is a stock rod for providing the molten material for drawing the silicon thin rods.
  • the edge length D I of the induction coil 1 is 160 mm larger than the diameter D S of the Si raw rod 6 with 120 mm, so that the surface of the induction coil 1 covers the entire cross section of the Si raw rod. This ensures that the temperature profile generated by the induction coil 1 can completely melt the tip of the Si raw rod 6 .
  • the silicon thin rods used in the Siemens process are doped such that they have an electrical conductivity in the range of 0.05 to 1 ohm / cm. With this electrical conductivity, the silicon thin rods can only be heated electrically to the necessary deposition temperature. Thus, additional heat sources are not required at the process start of the Siemens process.
  • the Si crude rod 6 used here also has such a doping.
  • the Fig. 2 shows a schematic side view of the device according to the invention.
  • the inventive method is based on the Fig. 2 explained in more detail.
  • the pulling chamber in which the device is arranged and in which the method is carried out is not shown. Also not shown are arranged in the upper wall of the pull chamber gas locks.
  • the Si raw bar 6 which serves as a stock rod for the provision of the material required for pulling the silicon thin rods 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 material, by the temperature profile generated by the induction coil 1 in the form of a melt lake 6.1 at the Dome of the Si raw bar 6 is melted.
  • the Si raw bar 6 is arranged on a vertically displaceable and rotatable spindle 6.2 , which is connected to a motor, not shown.
  • a cooled shielding plate 11 is arranged, which is an inductive heat supply from the induction coil 1 to the crystallizing Suppressed silicon thin rods 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 , whereby a uniform and straight growth of the silicon thin rods is made possible.
  • the shielding plate 11 consists of a metal plate and has, like the induction coil 1, a square cross-section whose edge length corresponds approximately to the edge length L I of the induction coil. In the shield plate 11 are congruent to the drawing openings in the induction coil 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 openings 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 arranged in the form of through holes.
  • the growing silicon thin rods 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 can be pulled up through the induction coil 1 and the shielding plate 11 .
  • the process begins with the Si raw bar 6 with its vertically displaceable spindle 6.2 being brought vertically up close to the induction coil 1 through which the high-frequency current flows, that by the temperature profile generated by its magnetic field under the induction coil 1 at the top of the Si raw bar 6 a round melting lake 6.1 is melted.
  • the carriers 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 are connected to one another and to a common pulling device 10 so that all carriers are moved upwards synchronously, simultaneously and at the same pulling speed, so that for each thin silicon rod 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 a same crystal growth is ensured.
  • the silicon thin rods 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 growing at the respective silicon rods 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 are moved via the respective carriers 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 through the respective pulling openings 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 in the induction coil 1 as well as the openings 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 in the shielding plate 11 continuously pulled up until the molten material supply of the Si raw bar 6 is consumed.
  • Si green rod 6 with its displaceable spindle 6.2 is tracked vertically upwards, so that there is always a sufficient molten material supply in the melt pool 6.1 below the induction coil 1 for the crystal growth of the silicon thin rods 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 is available.
  • the silicon raw bar 6 is rotated with the spindle 6.2 , so that under the induction coil 1 a uniformly melted melt lake 6.1 is generated.
  • the Fig. 3 shows a perspective view of the device according to the invention. It can clearly be seen how four silicon thin rods 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 are pulled simultaneously.
  • the Si raw rod 6 can be seen, which is arranged on the spindle 6.2 and is surmounted by the induction coil 1 and also by the shielding plate 11 . Through the openings 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 in the shield plate 11 protrude four growing silicon thin rods 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 , at the upper ends of the four silicon rods 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 are visible.
  • the carriers 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 and the common pulling device 10 are not shown here.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Siliziumdünnstäben, wie sie beim herkömmlichen Siemens-Verfahren für die Siliziumabscheidung verwendet werden. Dabei werden die Dünnstäbe in einem Reaktor senkrecht angeordnet und durch Stromdurchgang auf ca.1100°C erhitzt, so dass sich auf ihnen aus einem Trichlorsilan-Wasserstoffgemisch das Silizium pyrolytisch abscheidet. Dieser grundsätzliche Herstellungsprozess für das polykristalline Silizium ist für die Elektronik- wie für die Solarindustrie fast identisch.
    • Beschreibung des Standes der Technik
  • Durch den stark angestiegenen und weiter steigenden Bedarf an polykristallinem Silizium als Ausgangsmaterial von Silizium für Halbleiter und als Ausgangsmaterial von Solarzellen steigt auch entsprechend der Bedarf an Siliziumdünnstäben mit einem Durchmesser von ca. 4 - 10mm. Die Herstellung der Siliziumdünnstäbe ist ein unumgänglicher und teilweise auch begrenzender Bestandteil der Produktion von Siliziumstäben durch die pyrolytische Abscheidung von Silizium aus Trichlorsilan (Siemensverfahren) oder auch analog aus Monosilan. Da die Gesamtlänge der Siliziumdünnstäbe der Länge der produzierten Si- Stäbe entspricht, werden mit dem steilen Anstieg der Solar- und Halbleiter- Siliziumproduktion auch entsprechend große Mengen dieser Dünnstäbe gebraucht.
  • Siliziumdünnstäbe werden beispielsweise nach dem klassischen Pedestal-Verfahren hergestellt, indem der Stab aus dem Innenloch einer einwindigen Induktionsspule gezogen wird, die gleichzeitig das obere Ende eines Rohstabes von 30-50 mm Durchmesser aufschmilzt. Zur Herstellung von Siliziumstäben sind verschiedene Verfahren beschrieben worden.
  • Ein Beispiel ist in der DE 10 2005 016 776 A1 beschrieben, bei dem in einer Startphase aus einem hängenden Schmelztropfen mit bekannten Mitteln durch die zentrale Öffnung einer einwindigen Induktionsspule ein Dünnhals vertikal abwärts gezogen wird. Bei Erreichen eines für die Flächenmaße des zu ziehenden Kristalls notwendigen Durchmessers wird die Rotation des wachsenden Kristalls auf eine Drehzahl unter 1 U/min reduziert. Anschließend wird in einer Züchtungsphase ein Si-Einkristall mit annähernd rundem Querschnitt vertikal abwärts gezogen, wobei der verwendete Induktor Mittel zur Erzeugung eines nahezu rotationssymmetrischen Temperaturprofils an der Wachstumsphasengrenze aufweist.
  • In der DE 29 52 602 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Silizium-Dünnstäben beschrieben. Dabei wird aus einem senkrecht stehenden Vorratsstab, der an seinem oberen Ende mittels einer Induktionsspule aufgeschmolzen wird, ein an seinem oberen Ende gehalterter Silizium-Dünnstab nach oben gezogen. Damit der wachsende Silizium-Dünnstab stabilisiert wird, sind entsprechende Stabilisierungsmittel vorgesehen, die aus Federstäben bestehen, zwischen denen der Silizium-Dünnstab geführt wird.
  • Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Dünnstäben ist der DE 24 58 490 A1 zu entnehmen. Hierbei werden kreisförmig gebogene Dünnstäbe für den Trägerkörper bei der Materialabscheidung durch Abziehen von der geschmolzenen Kuppe eines Dickstabes mittels einer ringförmigen Induktionsspule längs einer Kreisbahn mittels eines Motors mit hoch untersetztem Getriebe bei reiner Drehbewegung gezogen.
  • Bei den vorgenannten Verfahren kann jeweils nur ein Dünnstab aus der Schmelze eines Rohstabes gezogen werden.
  • Für die Abscheidung von polykristallinen Si-Stäben können auch Vierkant-Seelen verwendet werden, die aus großen Si-Stäben wie Leisten gesägt werden. Gesägte Vierkant-Seelen haben eine gestörte und verunreinigte Oberfläche. Dadurch sind sie sehr bruchempfindlich und sie müssen nasschemisch geätzt und gereinigt werden. Werden sie aus original abgeschiedenen hochreinen Poly- Si Stäben gesägt, haben sie außerdem einen ungünstig hohen elektrischen Widerstand, der im Abscheideprozess den Prozessstart verkompliziert. Ihre Länge ist auch immer etwas kleiner als die des verwendeten Stabes, aus dem sie gesägt werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen es möglich ist in einem Arbeitsgang aus einem Vorratsstab mit Standarddurchmesser von z.B. 120mm gleichzeitig mehrere Siliziumdünnstäbe mit der Materialreinheit zonengezogener Si-Kristalle und den gewünschten Parametern herzustellen. Mit dem Verfahren sollen die Produktionskosten für die Dünnstabproduktion durch wegfallende Herstellung von Sondermaterial sowie die Arbeits- und Energiekosten gesenkt werden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei das Verfahren dem klassischen Pedestal- Verfahren ähnelt, bei dem als Heizquelle eine nur eine Windung aufweisende flache Induktionsspule verwendet wird, die gleichzeitig das obere Ende eines Rohstabes aufschmilzt und gleichzeitig der Einstellung der Kristallisationsfront an den wachsenden Siliziumdünnstäben dient, die aus der Schmelze nach oben gezogen werden. Die verwendete scheibenförmige einwindige Induktionsspule weist einen Hauptschlitz, der als Stromzuführung ausgebildet ist, und in der Mitte eine Zentralöffnung auf. Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik wird durch die stromumflossene Zentralöffnung kein Siliziumdünnstab nach oben gezogen, sie bleibt frei. Erfindungsgemäß weist die Induktionsspule um die stromumflossene Zentralöffnung weitere Durchgangslöcher auf, die als Ziehöffnungen für die Siliziumdünnstäbe dienen. Unter der vom HF-Strom durchflossenen Induktionsspule wird ein ausreichend gleichmäßiges Temperaturprofil erzeugt, das die Entstehung eines Schmelzensees in der Kuppe des Vorratsstabes bewirkt. Durch die weiteren Ziehöffnungen in der Induktionsspule kann jeweils ein Siliziumdünnstab aus dem darunter befindlichen Schmelzensee nach oben gezogen werden. Der Durchmesser der einwindigen Induktionsspule ist größer als der Durchmesser des Si-Rohstabes, welcher vorteilhafterweise einen technisch üblichen relativ großen Durchmesser aufweist. Die weiteren zusätzlichen Ziehöffnungen sind vorzugsweise konzentrisch oder paarweise und jeweils symmetrisch zur Zentralöffnung angeordnet. Ihr Abstand ist so gewählt, dass die wachsenden Siliziumdünnstäbe sich gegenseitig thermisch nicht zu stark beeinflussen, damit die einzelnen Siliziumdünnstäbe möglichst gleich wachsen. Je größer der Durchmesser des verwendeten Si-Rohstabes ist, desto größer kann auch der Durchmesser der Induktionsspule gewählt werden und es können somit auch eine entsprechende Anzahl zusätzlicher Ziehöffnungen vorgesehen werden.
  • Vorteilhafterweise sind oberhalb der Induktionsspule Mittel vorgesehen, die eine aktive Wärmezufuhr vom Magnetfeld der Induktionsspule zu den kristallisierenden Siliziumdünnstäben verhindern, um ein gleichmäßiges Kristallwachstum zu unterstützen.
  • In der Startphase wird nach dem Aufschmelzen der Kuppe des, an seinem unteren Ende gehalterten, senkrecht stehenden Si-Rohstabes durch jede weitere Ziehöffnung in der Induktionsspule jeweils ein an einem Träger befestigtes Silizium-Keimstäbchen mit der Schmelze in Kontakt gebracht. Mit Beginn des Kristallwachstums werden die Träger mit einer derartigen Geschwindigkeit nach oben gezogen, dass an jedem Träger ein Siliziumdünnstab gleichmäßig wächst. Dabei wird der Si-Rohstab während des Ziehprozesses mit einer solchen Geschwindigkeit nach oben nachgeführt, dass in Abhängigkeit der Ziehgeschwindigkeit der Siliziumdünnstäbe nach oben und der Anzahl der Siliziumdünnstäbe jederzeit für alle wachsenden Dünnstäbe eine ausreichende Menge an Si-Schmelze gewährleistet wird.
  • Vorzugsweise werden alle Träger synchron, d. h. gleichzeitig und mit gleicher Geschwindigkeit, nach oben gezogen.
  • Es hat sich gezeigt, dass es von Vorteil ist, wenn die Siliziumdünnstäbe eine Dotierung aufweisen, die ein direktes und ausschließliches Aufheizen im Siemens-Reaktor erlauben. Damit dies ermöglicht wird, weist die Si-Schmelze durch besondere Maßnahmen eine solche Dotierung mit Bor und/oder anderen dotierenden Elementen auf, dass die gezogenen Siliziumdünnstäbe die gewünschte Dotierung aufweisen.
  • Das Verfahren wird vorzugsweise in einer Ziehkammer unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist die Merkmale des Patentanspruchs 9 auf. Das wesentliche erfindungsgemäße Merkmal besteht darin, dass die als Heizquelle verwendete, nur eine Windung aufweisende, Induktionsspule neben der, aus dem Stand der Technik bekannten, Zentralöffnung, die sich an den Hauptschlitz anschließt, weitere Durchgangslöcher aufweist, die als Ziehöffnungen verwendet werden. Um diese Ziehöffnungen kreist kein separater Ringstrom, sie stellen somit weitgehend induktiv passive Durchgangslöcher in der Scheibe der Induktionsspule dar. Die Ziehöffnungen weisen einen derartigen Durchmesser auf, dass die herzustellenden Siliziumdünnstäbe durch sie hindurch gezogen werden können.
  • Diese zusätzlichen Ziehöffnungen sind vorzugsweise paarweise und symmetrisch oder aber konzentrisch zur Zentralöffnung und mit einem ausreichenden Abstand zum Rand der Induktionsspule angeordnet. Dabei weisen benachbarte Ziehöffnungen jeweils ähnliche Abstände auf, so dass die durch diese hindurch nach oben gezogenen Siliziumdünnstäbe praktisch gleiche Durchmesser aufweisen und sich gegenseitig thermisch nicht zu stark beeinflussen.
  • Der als Vorratsstab verwendete Si-Rohstab ist auf einer vertikal verschiebbaren Spindel angeordnet, die auch rotieren kann.
  • Über der Induktionsspule sind vertikal verschiebbare vorzugsweise nicht rotierende Träger angeordnet, die die Silizium-Keimstäbchen zum Züchten der Siliziumdünnstäbe tragen. Jeder Träger wird in der Startphase des Verfahrens durch jeweils eine Ziehöffnung so weit abgesenkt, dass das Silizium-Keimstäbchen mit der Schmelze am oberen Ende des Si-Rohstabes in Berührung kommt. Mit Beginn des Kristallwachstums wird der Träger mit einer solchen Geschwindigkeit nach oben gezogen, dass am Impfstab ein Siliziumdünnstab wächst, der mittels des jeweiligen Trägers durch die jeweilige passive Ziehöffnung gezogen wird. Vorzugsweise sind die Träger miteinander derart verbunden, dass sie synchron, gleichzeitig und mit gleicher Ziehgeschwindigkeit nach oben bewegt werden, so dass für jeden Siliziumdünnstab ein fast gleiches Kristallwachstum gewährleistet ist. Während die Siliziumdünnstäbe wachsen und nach oben abgezogen werden, wird der Si-Rohstab mit seiner Spindel mit einer solchen Geschwindigkeit nach oben nachgeführt, dass jederzeit eine ausreichende aufgeschmolzene Materialmenge zur Verfügung steht, damit die wachsenden Siliziumdünnstäbe mit optimaler Ziehgeschwindigkeit gezogen werden können.
  • In Abhängigkeit des Querschnittes des verwendeten Si-Rohstabes ist der Querschnitt der Induktionsspule zu wählen; der stets größer als der des Si-Rohstabes ist. Bei den derzeit üblichen Querschnitten der verwendeten Si-Rohstäbe weist die erfindungsgemäße Induktionsspule vier oder mehr zusätzliche Löcher zum Ziehen von Siliziumdünnstäben auf.
  • Damit ein gleichmäßiges Kristallwachstum der wachsenden Siliziumdünnstäbe gewährleistet wird, ist dicht oberhalb der Induktionsspule eine Abschirmplatte vorgesehen, die eine induktive Wärmezufuhr über das Magnetfeld der Induktionsspule zu den kristallisierenden Siliziumdünnstäben unterdrücken soll. Die Abschirmplatte weist kongruent zu den Ziehöffnungen in der Induktionsspule angeordnete Öffnungen in Form von Durchgangsbohrungen auf. Somit können die wachsenden Siliziumdünnstäbe durch die Induktionsspule und die Abschirmung hindurch nach oben gezogen werden.
  • Damit eine möglichst kleine Ziehkammer für die Vorrichtung verwendet werden kann und trotzdem möglichst lange Siliziumdünnstäbe kontinuierlich gezogen werden können, werden zur Durchführung der Träger und der Siliziumdünnstäbe durch die obere Wandung der Ziehkammer entsprechende Gasschleusen vorgesehen. Diese Gasschleusen bestehen üblicherweise aus langen Röhren, die einen geringfügig größeren Innenquerschnitt aufweisen als der Querschnitt der wachsenden Siliziumdünnstäbe.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zur Durchführung dieses Verfahrens vorgeschlagenen Vorrichtung bestehen darin, dass gleichzeitig in einem Ziehprozess mehrere Siliziumdünnstäbe tiegelfrei hergestellt werden können. Somit wächst die Produktivität entsprechend der Anzahl der gleichzeitig gezogenen Siliziumdünnstäbe. Außerdem wird die Energiebilanz bei der Herstellung der Siliziumdünnstäbe wesentlich verbessert, da mit vergleichbarem Energieeinsatz mehrere Siliziumdünnstäbe gleichzeitig hergestellt werden können.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung werden nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Die Figuren zeigen:
    • Fig. 1:
    Draufsicht auf die Induktionsspule
    Fig. 2:
    Seitenansicht der Vorrichtung
    Fig. 3:
    Perspektivische Ansicht der Vorrichtung
  • In der Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäß ausgeführte Induktionsspule 1 dargestellt. Die Induktionsspule 1 besteht aus einer flachen quadratischen Metallscheibe. Die Kantenlänge LI der Induktionsspule 1 beträgt im Beispiel 160 mm und ihre Dicke beträgt 10 mm. Die Induktionsspule 1 weist in ihrer einer Diagonalen einen Hauptschlitz 2 auf, der in einer in der Mitte der Induktionsspule 1 befindlichen Zentralöffnung 4 mündet. Seitlich des Hauptschlitzes 2 sind jeweils die Stromzuführungen 3 für den HF-Strom angeordnet. Soweit entspricht die Ausgestaltung der Induktionsspule dem bekannten Stand der Technik. Erfindungsgemäß weist die Induktionsspule 1 zusätzlich zur Zentralöffnung 4 weitere Durchgangslöcher auf, die als Ziehöffnungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 dienen. Durch diese vier Ziehöffnungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 können im gewählten Beispiel vier Siliziumdünnstäbe 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 separat oder gleichzeitig gezogen werden. Die Ziehöffnungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 sind derart über die Oberfläche der Induktionsspule 1 verteilt, dass sie einen ausreichenden Seitenabstand zum Rand der Induktionsspule aufweisen. Im Beispiel sind die Ziehöffnungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 konzentrisch um die Zentralöffnung 4 auf einem Kreisring angeordnet sind der einen Durchmesser D K aufweist, der ca. die Hälfte des Durchmessers D S des Si-Rohstabes 6 hat. Somit befinden sich die Ziehöffnungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 über dem im Si-Rohstab 6 erzeugten Schmelzensee 6.1 befinden. Die Ziehöffnungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 sind auf dem Kreisring in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet, so dass sich die wachsenden Siliziumdünnstäbe 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 gegenseitig thermisch nicht zu stark beeinflussen. Der Durchmesser der Ziehöffnungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 ist ca. 8 mm größer als der Durchmesser der wachsenden Siliziumdünnstäbe 9.1, 9.2, 9.3, 9.4, die hier einen Durchmesser von 8 mm aufweisen. In Abhängigkeit von der Fläche der Induktionsspule 1, die hier 160 mm x 160 mm beträgt, können so viele Ziehöffnungen in die Induktionsspule eingebracht werden, wie es die zuvor genannten Kriterien zulassen.
  • Unterhalb der Induktionsspule 1 befindet sich der Si-Rohstab 6 als Vorratsstab zur Bereitstellung des geschmolzenen Materials, das zum Ziehen der Siliziumdünnstäbe dient. Die Kantenlänge D I der Induktionsspule 1 ist mit 160 mm größer als der Durchmesser D S des Si-Rohstabes 6 mit 120 mm, so dass die Fläche der Induktionsspule 1 den gesamten Querschnitt des Si-Rohstabes überdeckt. Somit ist gewährleistet, dass das von der Induktionsspule 1 erzeugte Temperaturprofil die Kuppe des Si-Rohstabes 6 vollständig aufschmelzen kann.
  • Es hat sich gezeigt, dass es von Vorteil ist, wenn die im Siemens-Prozess verwendeten Siliziumdünnstäbe derart dotiert sind, dass sie eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 0,05 bis 1 Ohm/cm aufweisen. Mit dieser elektrischen Leitfähigkeit lassen sich die Siliziumdünnstäbe ausschließlich elektrisch auf die notwendige Abscheidetemperatur aufheizen. Somit sind zusätzliche Heizquellen beim Prozessstart des Siemens-Prozesses nicht erforderlich. Der hier verwendete Si-Rohstab 6 weist ebenfalls eine derartige Dotierung auf.
  • Die Fig. 2 zeigt eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Fig. 2 näher erläutert. Die Ziehkammer, in der die Vorrichtung angeordnet ist und in der das Verfahren durchgeführt wird, ist nicht dargestellt. Ebenfalls nicht dargestellt sind die in der oberen Wandung der Ziehkammer angeordneten Gasschleusen.
  • Unter der Induktionsspule 1 befindet sich der Si-Rohstab 6, der als Vorratsstab für die Bereitstellung des zum Ziehen der Siliziumdünnstäbe 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 erforderlichen Materials dient, das durch das von der Induktionsspule 1 erzeugte Temperaturprofil in Form eines Schmelzensees 6.1 an der Kuppe des Si-Rohstabes 6 aufgeschmolzen wird. Der Si-Rohstab 6 ist auf einer vertikal verschiebbaren und drehbaren Spindel 6.2 angeordnet, die mit einem nicht dargestellten Motor verbunden ist.
  • Unmittelbar oberhalb der Induktionsspule 1, in einem Abstand von ca. 15 mm, ist eine gekühlte Abschirmplatte 11 angeordnet, die eine induktive Wärmezufuhr von der Induktionsspule 1 zu den kristallisierenden Siliziumdünnstäben 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 unterdrückt, wodurch ein gleichmäßiges und gerades Wachstum der Siliziumdünnstäbe ermöglicht wird. Die Abschirmplatte 11 besteht aus einer Metallplatte und weist, wie die Induktionsspule 1, einen quadratischen Querschnitt auf, dessen Kantenlänge in etwa der Kantenlänge L I der Induktionsspule entspricht. In der Abschirmplatte 11 sind kongruent zu den Ziehöffnungen in der Induktionsspule 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 Öffnungen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 in Form von Durchgangsbohrungen angeordnet. Somit können die wachsenden Siliziumdünnstäbe 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 durch die Induktionsspule 1 und die Abschirmplatte 11 hindurch nach oben gezogen werden.
  • Das Verfahren beginnt damit, dass der Si-Rohstab 6 mit seiner vertikal verschiebbaren Spindel 6.2 vertikal so nahe an die vom Hochfrequenzstrom durchflossene Induktionsspule 1 herangefahren wird, dass durch das von deren Magnetfeld erzeugte Temperaturprofil unter der Induktionsspule 1 an der Kuppe des Si-Rohstabes 6 ein runder Schmelzensees 6.1 aufgeschmolzen wird.
  • Im nächsten Schritt werden die an den Trägern 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 befestigten Silizium-Keimstäbchen 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 mittels einer Ziehvorrichtung 10 durch die Öffnungen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 in der Abschirmplatte 11 und die Ziehöffnungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 in der Induktionsspule 1 hindurch soweit vertikal abgesenkt, bis sie den Schmelzensee 6.1 berühren. Mit Beginn des Kristallwachstums werden die Träger 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 mit einer Geschwindigkeit von ca. 10mm/min. nach oben gezogen, so dass an jedem Silizium-Keimstäbchen 8.1, 8.2, 8.3, 8.4, die jeweils an einem Träger 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 befestigt sind, ein Siliziumdünnstab 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 wächst. Im gewählten Beispiel sind die Träger 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 miteinander und einer gemeinsamen Ziehvorrichtung 10 verbunden, so dass alle Träger synchron, gleichzeitig und mit gleicher Ziehgeschwindigkeit nach oben bewegt werden, so dass für jeden Siliziumdünnstab 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 ein gleiches Kristallwachstum gewährleistet ist.
  • Die an den jeweiligen Silizium-Keimstäbchen 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 wachsenden Siliziumdünnstäbe 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 werden über die jeweiligen Träger 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 durch die jeweiligen Ziehöffnungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 in der Induktionsspule 1 sowie die Öffnungen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 in der Abschirmplatte 11 kontinuierlich nach oben gezogen bis der aufgeschmolzene Materialvorrat des Si-Rohstabes 6 verbraucht ist.
  • Während die wachsenden Siliziumdünnstäbe 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 mittels der Träger 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 nach oben gezogen werden, wird Si-Rohstab 6 mit seiner verschiebbaren Spindel 6.2 vertikal nach oben nachgeführt, so dass stets ein ausreichender aufgeschmolzener Materialvorrat im Schmelzensee 6.1 unter der Induktionsspule 1 für das Kristallwachstum der Siliziumdünnstäbe 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 zur Verfügung steht. Vorteilhafterweise wird der Si-Rohstab 6 mit der Spindel 6.2 gedreht, so dass unter der Induktionsspule 1 ein gleichmäßig aufgeschmolzener Schmelzensee 6.1 erzeugt wird.
  • Die Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Deutlich ist zu sehen, wie vier Siliziumdünnstäbe 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 gleichzeitig gezogen werden. Der Si-Rohstab 6 ist zu erkennen, der auf der Spindel 6.2 angeordnet ist und von der Induktionsspule 1 sowie auch von der Abschirmplatte 11 überragt wird. Durch die Öffnungen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 in der Abschirmplatte 11 ragen vier wachsende Siliziumdünnstäbe 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 heraus, an deren oberen Enden die vier Silizium-Keimstäbchen 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 zu sehen sind. Die Träger 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 sowie die gemeinsame Ziehvorrichtung 10 sind hier nicht dargestellt.
    • Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
    • 1
    Induktionsspule
    2
    Hauptschlitz
    3
    Stromzuführungen
    4
    Zentralöffnung
    5.1, 5.2, 5.3, 5.4
    Ziehöffnungen
    6
    Si-Rohstab
    6.1
    Schmelzensee
    6.2
    Spindel
    7.1, 7.2, 7.3, 7.4
    Träger
    8.1, 8.2, 8.3, 8.4
    Silizium-Keimstäbchen
    9.1, 9.2, 9.3, 9.4
    Siliziumdünnstäbe
    10
    Ziehvorrichtung
    11
    Abschirmplatte
    11.1, 11.2, 11.3, 11.4
    Öffnungen in der Abschirmung
    LI
    Kantenlänge der Induktionsspule
    DS
    Durchmesser des Si-Rohstabes
    DK
    Durchmesser des Kreises auf dem die Ziehöffnungen angeordnet sind

Claims (19)

  1. Verfahren zur Herstellung von Siliziumdünnstäben nach einem tiegelfreien Kristallisationsverfahren, bei dem aus der Schmelze am oberen Ende eines Si-Rohstabs, der einen technisch üblichen Durchmesser aufweist, die durch die flache vom HF-Strom durchflossene Induktionsspule, die nur eine Windung aufweist und aus einer Scheibe mit einem Schlitz als Stromzuführung besteht, erzeugt wird, Siliziumdünnstäbe durch die flache Induktionsspule hindurch nach oben gezogen werden,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die flache Induktionsspule (1), die nur der induktiven Heizung der Schmelze dient, neben der stromumflossenen Zentralöffnung (4), durch die kein Siliziumdünnstab gezogen wird, weitere Ziehöffnungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) aufweist, durch die jeweils ein Siliziumdünnstab (9.1, 9.2, 9.3, 9.4) gezogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in der Startphase mehrere Silizium-Keimstäbchen (8.1, 8.2, 8.3, 8.4), die jeweils an einem Träger (7.1, 7.2, 7.3, 7.4) befestigt sind, in den von der Induktionsspule (1) aufgeschmolzenen Schmelzensee (6.1) an der Kuppe des Si-Rohstabes (6) durch die Ziehöffnungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) hindurch die Schmelze berühren und dann die Züchtung erfolgt, indem die Silizium-Keimstäbchen (8.1, 8.2, 8.3, 8.4) jeweils durch eine Ziehöffnung (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) nach oben gezogen werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    oberhalb der Induktionsspule (1) Mittel vorgesehen sind, die eine induktive Wärmezufuhr zu den kristallisierenden Siliziumdünnstäben (9.1, 9.2, 9.3, 9.4) unterdrücken.
  4. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Träger (7.1, 7.2, 7.3, 7.4) mit den Silizium-Keimstäbchen (8.1, 8.2, 8.3, 8.4). und den daran wachsenden Siliziumdünnstäben (9.1, 9.2, 9.3, 9.4) synchron nach oben gezogen werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Si-Rohstab (6) während des Ziehprozesses mit einer solchen Geschwindigkeit nach oben nachgeführt wird, dass im Schmelzensee (6.1) stets eine ausreichende geschmolzene Materialmenge für die Züchtung der Siliziumdünnstäbe (9.1, 9.2, 9.3, 9.4) zur Verfügung steht.
  6. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der verwendete Si-Rohstab (6) eine solche Dotierung mit Bor und/oder anderen dotierenden Stoffen aufweist, dass die gezogenen Siliziumdünnstäbe (9.1, 9.2, 9.3, 9.4) die gewünschte Dotierung aufweisen.
  7. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    dass der Dotierstoff der Schmelze im Prozess zugeführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Verfahren in einem geschlossenen Gefäß unter Schutzgasatmosphäre ausgeführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die wachsenden Siliziumdünnstäbe (9.1, 9.2, 9.3, 9.4) durch Gasschleusen, die sich im oberen Teil der Ziehkammer befinden, kontinuierlich aus der Ziehkammer heraus bis in den Außenraum gezogen werden, so dass der Ziehprozess andauern kann bis der aufgeschmolzene Materialvorrat des Si-Rohstabes (6) verbraucht ist.
  10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, wobei eine flache Induktionsspule, die nur eine Windung aufweist und aus einer Scheibe mit einem Schlitz als Stromzuführung besteht, verwendet wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Induktionsspule (1) neben der vom HF-Strom umflossenen Zentralöffnung (4) weitere Ziehöffnungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) aufweist, die nicht von einem Ringstrom umflossen werden und durch die jeweils ein Siliziumdünnstab (9.1, 9.2, 9.3, 9.4) ziehbar ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die weiteren Ziehöffnungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) konzentrisch zur Zentralöffnung (4) und mit nahezu gleichem Abstand zueinander angeordnet sind.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die weiteren Ziehöffnungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) paarweise und jeweils symmetrisch zur Zentralöffnung (4) angeordnet sind.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Querschnitt der einwindigen Induktionsspule (1) vollständig den Querschnitt des Si-Rohstabes (6) überdeckt.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in einem geringen Abstand oberhalb der Induktionsspule (1) eine Abschirmplatte (11) angeordnet ist, die kongruent zu den Ziehöffnungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) in der Induktionsspule (1) angeordnete Öffnungen (11.1, 11.2, 11.3, 11.4) aufweist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Si-Rohstab (6) auf einer vertikal verschiebbaren und drehbaren Spindel (6.2) angeordnet ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jedes Silizium-Keimstäbchen (8.1, 8.2, 8.3, 8.4) an dem ein Siliziumdünnstab (9.1, 9.2, 9.3, 9.4) ziehbar ist, mit einem vertikal verschiebbaren Träger (7.1, 7.2, 7.3, 7.4) verbunden ist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    alle Träger (7.1, 7.2, 7.3, 7.4) synchron, gleichzeitig und mit gleicher Geschwindigkeit nach oben bewegbar sind.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    alle Träger (7.1, 7.2, 7.3, 7.4) an einer gemeinsamen Ziehvorrichtung (10) angeordnet sind.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vorrichtung in einer gasdichten Ziehkammer angeordnet ist, welche in ihrer oberen Gefäßwand, über den Ziehöffnungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) in der Induktionsspule (1) und den Öffnungen (11.1, 11.2, 11.3, 11.4) in der Abschirmplatte (11), Gasschleusen in Form von langen Röhren aufweist, durch die die Siliziumdünnstäbe (9.1, 9.2, 9.3, 9.4) ziehbar sind.
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